玄武岩织物-钢-PVA工程水泥基复合材料单轴受压力学性能研究

本文研究了玄武岩织物和混杂短切纤维(钢纤维及PVA纤维,短切纤维总体积掺量为2%)复合作用对玄武岩织物-钢-PVA工程水泥基复合材料(BTR-HyECC)单轴受压力学性能的影响,并通过圆柱体单轴受压试验测得各试件受压性能指标,并绘制出应力-应变曲线。结果表明:当钢纤维掺量为0%(体积分数,下同)时,随着玄武岩织物的加入,试件的抗压强度、峰值应变以及抗压韧性显著提高;当钢纤维掺量增加到1%时,试件抗压强度和弹性模量达到最大;当钢纤维掺量为1.5%时,试件变形能力和抗压韧性达到最佳。基于试验数据,建立了适用于BTR-HyECC的单轴受压本构方程,拟合曲线与试验曲线吻合较好。

矿渣水泥基复合材料在杂散电流作用下的抗软水溶蚀机理研究

在轨道交通工程运营期间,复杂的服役环境导致混凝土结构耐久性下降。本文主要研究了在杂散电流与软水溶蚀耦合作用下,矿渣掺量、水胶比和杂散电流电压强度对矿渣水泥基复合材料微观结构的影响。结合X射线衍射、热重、扫描电子显微镜和压汞等方法,分析了矿渣水泥基复合材料经溶蚀90 d后的物相组成、Ca(OH)_(2)含量、微观形貌以及孔结构变化。研究结果表明:矿渣掺量越大,矿渣水泥基复合材料内部的Ca(OH)_(2)含量越少,材料的孔隙率越低,结构更均匀致密;随着杂散电流电压强度的增加,矿渣水泥基复合材料内部的Ca(OH)_(2)和AFt含量变少,且AFt和Ca(OH)_(2)等物相边界变得模糊不清;矿渣水泥基复合材料中C-(A)-S-H的含量略有增多,孔隙率略有下降;随着水胶比的增大,矿渣水泥基复合材料内部的Ca(OH)_(2)含量变少,剩余物相含量变少,微观结构变得松散多孔,孔径结构整体粗化,孔隙率增大。

有机纤维增强水泥基复合材料研究进展

目前有机纤维作为增强体被用于水泥基复合材料成为研究的热点。阐述了有机纤维对水泥基复合材料性能影响的研究进展。首先,介绍了不同种类有机纤维的性能,阐述了不同有机纤维对水泥基复合材料性能的影响,并分析了增强增韧机理。其次,分析了有机纤维性能对水泥基复合材料性能的影响。最后,对今后的进一步研究提出了建议。

定向钢纤维水泥基复合材料的含砂率及定向时程影响规律

为研究钢纤维水泥基复合材料中钢纤维定向分布规律,考虑定向时程和含砂率两种因素,基于团队自主研发的钢纤维定向设备,制作32个试件。在恒定磁场下,系统地开展了梯度定向时程与含砂率钢纤维定向试验,利用COMSOL有限元模拟定向试验磁场分布情况,通过CT-X射线扫描技术获取不同试件的截面图像,计算钢纤维的方向系数,讨论钢纤维受梯度定向时程与含砂率影响下的定向规律。研究结果表明:随着定向时程的增加,在相同含砂率条件下,钢纤维的方向系数在初始阶段迅速提升,然后逐渐减缓,最终趋于稳定;在相同定向时程下,含砂率过高或过低都会对钢纤维的定向效率产生不利影响,控制含砂率在40%左右时可以获得相对理想的钢纤维定向效果。

RTP-PVA混杂纤维的工程水泥基复合材料干缩性能试验研究

为研究回收轮胎聚合物(recycled tyre polymer,RTP)和聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)混杂纤维对工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites,ECC)干缩性能的影响,对RTP-PVA混杂纤维总体积分数为2.0%的ECC进行流动性、直接拉伸和干缩试验,并分析混杂纤维作用机理和干缩计算模型.结果表明:RTP纤维替代率为12.5%~50%对ECC流动性影响不大,比单掺PVA纤维的ECC流动性降低1.09%~3.69%.ECC的抗拉强度随RTP纤维替代率的增加而降低,不同比例的混杂纤维比单掺PVA纤维的ECC抗拉强度降低了23.6%~56.6%.不同比例混杂纤维ECC干缩率曲线趋势相近,7 d时干缩率为28 d时的80.92%~82.77%.ECC的干缩率随RTP纤维替代率的增加而降低,28 d时不同RTP纤维替代率的混杂纤维比单掺PVA纤维的ECC干缩率降低了0.80%~2.09%.RTP-PVA混杂纤维可在ECC中协同发挥作用抑制基体干缩,结合试验结果得到适合RTP-PVA混杂纤维ECC的指数型干缩预测模型.

玄武岩纤维对水泥基复合材料抗折强度影响研究

本文以不同方式(单掺、混掺)研究玄武岩纤维掺量(0.1%、0.3%、0.5%)和纤维长度(6mm、9mm、12mm)对水泥基复合材料抗折强度的影响。结果表明:玄武岩纤维对水泥基复合材料的抗折强度起到明显提升作用,单掺时本实验最优掺量为0.3%,最佳长度为9mm。混掺最优方案为三种纤维长度等量混掺。

玻璃砂超高性能水泥基复合材料的制备及性能

为实现超高性能水泥基复合材料(ultra-high performance cementitious composite,UHPCC)的可持续性和环保性,以玻璃砂替代UHPCC中的河砂,制作玻璃砂超高性能水泥基复合材料(glass sand ultrahigh-performance cementitious composite,GS-UHPCC),通过开展力学性能试验,探讨不同玻璃砂替代率和玻璃砂粒径对GS-UHPCC抗压、抗折性能的影响,定量表征GS-UHPCC的弯曲韧性和能量吸收能力,并通过X射线衍射和扫描电镜试验,分析了玻璃砂的增韧机理.结果表明,以平均粒径为0.27 mm的玻璃砂替代河砂,当体积替代率为40%时效果最好,替代后GS-UHPCC在养护28 d时的抗压强度相较于未掺时提升了17.0%,抗折强度提升了14.8%,能量吸收能力最优,微观结构致密,水化反应最为完全.本研究得出的最优玻璃砂替代率与粒径,可为GS-UHPCC的应用提供可行性支持.

渗透结晶水泥基复合材料研究综述

渗透结晶水泥基复合材料具有良好力学性能、耐久性能与自修复性能,是一种具有发展潜力的低碳建筑材料。渗透结晶剂中的活性化学物质可通过渗透和结晶反应产生晶体,具有修复水泥基复合材料裂缝的功能,在隧道、桥梁、水坝等工程上具有广阔的应用前景。本文首先介绍了渗透结晶水泥基复合材料的原材料、配比、制备与养护;其次介绍了渗透结晶剂对水泥基复合材料力学性能和耐久性能的影响;再次评价了其自修复性能与影响因素,分析了自修复产物及机理;最后,探讨了其未来的研究方向。

超高延性水泥基复合材料耐久性研究进展

普通混凝土在特殊环境下容易出现性能劣化、耐久性不足的问题。超高延性水泥基复合材料(ECC)是一种纤维增强水泥复合材料,在拉伸载荷作用下产生微裂纹后具有应变硬化和自愈合能力,使ECC在各种环境条件下比普通混凝土有更佳的耐久性。综述了近年来国内外关于ECC耐久性的研究进展,总结了ECC在抗渗性、抗冻性、耐化学侵蚀性能、耐高温性、耐磨性相关方面的特点,并与普通混凝土进行了对比。研究发现:目前关于多因素耦合条件下ECC的耐久性研究、耐久性微观层面解释以及设计耐高温、耐磨性好的ECC等方面研究还不充分,基于此提出了几个未来研究方向。

环境因素对氧化石墨烯水泥基复合材料导电、压敏性能的影响

制备水泥基传感器,实现水泥基体的自感应,是目前结构健康监测领域极具发展前景的研究方向之一。将氧化石墨烯(GO)掺入水泥,制备氧化石墨烯水泥基材料(GO/CCs),能改善水泥基体的力学性能及压敏性能。因此,GO/CCs受到了学者们的广泛关注。由于水泥基传感器会受环境因素影响,环境的变化会使水泥复合材料的温度及含水量发生变化,这将影响水泥基传感器的实际使用。目前,环境因素对GO/CCs性能的影响研究较少,尤其是环境因素对GO/CCs导电性能、压敏性能的影响。本工作通过超声波与聚羧酸减水剂结合的方法,制备了不同GO掺量的GO/CCs试件,研究了含水量和温度对GO/CCs导电性能的影响,测试了含水量对不同GO掺量试件压敏性能的影响。通过SEM及电化学阻抗谱(EIS)测试分析了GO/CCs的微观形貌及导电机理。结果表明,含水量及温度对GO/CCs的导电性能有较大影响,水分的提升使GO/CCs离子导电增强。温度敏感系数(TC)随GO掺量增加先增大后减小。不同含水量状态的GO/CCs提升其压敏性能的最佳掺量不同。0.1%掺量的GO能使水饱合状态的GO/CC试件内部的电接触更加稳定。本研究为进一步推进水泥基传感器在结构健康监测中的应用提供了指导。

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料永久模板叠合RC单向板短期刚度计算方法

钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料(HFRCC)具有良好的受拉韧性和耐久性能,是永久模板的理想材料。首先探究了PVA纤维掺量对HFRCC工作性能和抗折强度的影响,随着PVA纤维掺量增加,HFRCC的工作性能显著减弱,抗折强度先增大再减小,最终选用含有1.5%钢纤维和0.25%PVA纤维的HFRCC来制作永久模板。随后对六个HFRCC永久模板叠合RC单向板和一个RC单向板进行了四点受弯试验,探究了HFRCC-RC界面处理方式和配筋率对叠合板受弯性能的影响。试验结果表明:抹平、等距凹槽和钢钉拉毛三种界面处理方式对叠合板受弯性能的影响可以忽略;HFRCC模板能够有效限制裂缝发展,减小裂缝宽度和间距,叠合板的开裂弯矩相比于普通混凝土板提高了20.1%~31.7%。分别采用刚度解析法和有效惯性矩法建立了HFRCC-RC叠合板短期刚度计算方法,两种方法均有较高的计算精度且离散性较小。

仿生高韧水泥基复合材料制备技术及增韧机理

为了提升混凝土基体的韧性,基于贝壳珍珠层独特“砖-泥”结构,采用水泥石与有机聚合物制备出具有仿生“砖-桥-泥”结构的高韧水泥基复合材料.通过三点弯曲试验、扫描电子显微镜及有限元模拟方法研究了仿生水泥基材料的抗折强度、韧性及增韧机理.结果表明,相较于传统水泥的脆性断裂模式,仿生水泥基材料表现出明显的延性断裂特征,包括峰后曲线渐进下降、跨中挠度大幅增加等.基于有机聚合物的多尺度桥接-伸展效应,仿生水泥基材料内部呈现明显的裂纹偏转及分支现象,体现了仿生“砖-桥-泥”结构的内外协同增韧机制.仿生水泥基材料能够在保证95%抗折强度的基础上,将水泥基体的韧性提高179.45%,可为解决混凝土增韧降脆问题提供新的技术路径.

氧化石墨烯复掺纤维水泥基复合材料研究综述

氧化石墨烯(GO)作为石墨烯(G)的衍生物有着与石墨烯相类似的力学性能和导热性能等优异性能,并且其亲水性官能团使其相比于石墨烯来说更容易在水中分散从而更容易与水泥基相结合。大量研究已表明GO掺入水泥基中不但可以增强水泥基的力学性能和耐久性能还可以增强水泥基的电磁屏蔽性能、导热性能等性能,为多功能型、智能型混凝土的开发提供了可能。以GO复掺其他功能纤维材料在水泥基中的应用为中心,简述了GO的性能特点、结构特质从而表明GO在水泥基材料中应用的广度和范围,并重点综述了GO的分散性研究和GO复掺纤维水泥基的工作性能、水化过程、力学性能、耐久性能、功能性能的研究,并对未来GO复掺纤维水泥基材料研究的方向进行了展望。

纳米增强水泥基复合材料抗氯离子迁移及固化性能综述

先进碳基纳米材料在水泥基材料领域的渗透突破了传统水泥基材料的性能使用局限,是未来高性能水泥基复合材料研究的热门领域。然而,虽然目前关于纳米增强水泥基复合材料水化、微观、力学等性能的研究相对较多,但是针对长期耐久性能,特别是对影响钢筋锈蚀的主要因素氯盐侵蚀方面的研究相对较少,且缺少一定的深度与广度。纳米增强水泥基材料抗氯盐侵蚀性能主要体现在两个方面:一是孔隙层面,通过密实孔隙降低整体孔隙率,增加纳微观毛细孔比例,从而降低外界氯离子侵入迁移速率;二是固化层面,通过孔隙固液交界处水泥水化产物氯离子置换固化作用,吸附并降低孔隙溶液中自由氯离子含量。它们的最终目的都是在结构服役寿命内保证钢筋表面侵入的自由氯离子浓度处于锈蚀临界浓度之下,降低锈蚀风险及维护成本。深入明晰纳米增强水泥基复合材料抗氯离子迁移和固化性能及机理,对建立有效预测模型,指导并推动高抗蚀纳米增强水泥基复合材料设计、制备及应用具有重要意义。本文总结了近年来纳米增强水泥基复合材料抗氯盐侵蚀性能的研究进展,对比分析了不同维度、不同制备手段、不同化学组成等各类纳米材料分别对抗氯离子迁移性能和氯离子固化性能的影响效果及机制,同时对未来纳米增强高抗蚀水泥基复合材料的发展及应用进行了展望。

硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的性能研究

本文使用不同类型(KH550和KH560)和不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%,质量分数)的SCA对聚丙烯纤维(PPF)进行表面改性,通过无侧限抗压强度试验和抗折试验,研究了SCA改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的承压能力,并使用扫描电子显微镜对改性后的聚丙烯纤维水泥基复合材料进行了微观表征。结果表明:KH560改性聚丙烯纤维对水泥基复合材料的流动度影响较大,KH550次之;整体上,SCA浓度越接近1.5%,对聚丙烯纤维水泥基复合材料流动度的影响越大;随着KH550浓度增大,水泥基复合材料孔隙率总体呈降低趋势,随着KH560浓度增大,水泥基复合材料孔隙率呈先下降后上升的趋势,并且浓度为1.5%时孔隙率最小;两种SCA均提高了PPF表面的粗糙度,并能在PPF-SCA-基体界面实现化学键连接;两种SCA对聚丙烯纤维水泥基复合材料抗折强度的影响较小,但能有效提高抗压强度。总体而言,KH550改性效果优于KH560。

水泥基纤维复合材料与混凝土的黏结性能试验研究

为了实现对老旧混凝土结构快速修补的目的,以磷酸镁水泥代替普通硅酸盐水泥,制备了一种高性能水泥基纤维复合修补材料,并以黏结抗拉强度、抗折强度和抗剪强度为评价指标,考察了其与混凝土结构之间的黏结性能。试验结果表明:混凝土的界面粗糙度越大,水泥基纤维复合材料与混凝土之间的黏结抗拉强度、抗折强度和抗剪强度值均先增大后减小,当界面粗糙度为3.5 mm左右时,黏结性能可达到最佳;混凝土基体强度越大,水泥基纤维复合材料与混凝土之间的黏结抗拉强度、抗折强度和抗剪强度值就越大,黏结性能越好。试验制备的水泥基纤维复合材料与混凝土之间的黏结性能较好,能够满足老旧混凝土结构修补施工的需求。

定向钢纤维增强水泥基复合材料准脆性断裂分析

基于边界效应模型基本理论,建立了钢纤维长度与特征裂缝长度之间的关系,计算了定向钢纤维增强水泥基复合材料(ASFRC)的等效断裂韧度和拉伸强度,进而得到了ASFRC材料的断裂破坏曲线.结果表明,当离散系数分别取0.4~0.7和0.2~0.4时,可得到较为合理的等效断裂韧度和拉伸强度值.对比分析ASFRC和随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC)的断裂破坏曲线可以发现,满足线弹性断裂力学的最小试件尺寸随着离散系数的增大而增大;ASFRC和SFRC的拉伸强度和考虑初始裂缝影响的名义应力随着离散系数的增大而减小.此外,改进的简化解析公式不仅可确定材料的等效断裂韧度和拉伸强度,还可预测试件的破坏.

新型导电水泥基复合材料导电性能研究

采用炭黑作为主要导电掺料,加入少量碳纳米管和钢纤维构建高效导电网络以提高导电性能,研究其在不同环境中的稳定性以及微观形态下复相导电掺料的协同作用。结果表明:掺5%炭黑、0.3%碳纳米管、0.6%体积掺量钢纤维的导电水泥基复合材料C5P3F6固化28 d电阻率为304Ω·cm,比传统水泥基复合材料降低94.5%;掺5%炭黑、0.9%碳纳米管、0.6%体积掺量钢纤维的导电水泥基复合材料C5P9F6受水泥水化、干燥环境和温度的影响较小,表现出较为优异的稳定性。微观形态下能观察到导电掺料分散性较好,碳纳米管、钢纤维有效地与分散的炭黑协同作用桥接成为导电网络。

粗骨料对超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC)性能的影响

根据超高性能混凝土(UHPC)的制备理论和应变硬化水泥基复合材料(SHCC)的设计原理,制备了超高性能应变硬化水泥基复合材料(UHP-SHCC),研究了钢纤维改性处理和粗骨料的级配(最大粒径分别为6.00、8.00、9.75 mm)与掺量(0、5%、11%、15%)对UHP-SHCC抗压强度和拉伸行为的影响。结果表明:与未改性钢纤维相比,改性钢纤维使UHP-SHCC的应变硬化行为更明显;通过合理调控粗骨料的级配和掺量,有效提高了UHP-SHCC的抗压强度,改善了UHP-SHCC的拉伸应变硬化效果,但随着龄期从7 d增至28 d,UHP-SHCC的应变硬化效果略有减弱。

混杂纤维高韧性水泥基复合材料弯曲性能试验研究

为研究三种纤维混杂对高韧性水泥基复合材料(ECC)弯曲性能的影响,将聚乙烯(PE)纤维与钢纤维(SF)、玄武岩纤维(BF)混杂,通过21组四点弯曲试验,分析试件的受力、破坏过程及不同混杂纤维掺量对弯曲性能的影响,并将弯曲性能试验结果与拉伸性能试验结果进行比对,得到混杂纤维ECC的弯、拉对应关系。研究结果表明:与单掺PE相比,复掺纤维可有效提高ECC的弯曲极限强度,但会损失一定程度的延性。钢纤维掺量对延性性能影响较大,建议钢纤维掺量不超过0.4%,且总纤维掺量不超过2.3%。玄武岩纤维对混杂纤维ECC起到良好的增强、增加延性作用。基于弯-拉关系得到的极限拉伸应变与试验值吻合良好,因此四点弯曲试验可以代替单轴拉伸试验来评价混杂纤维ECC的力学性能。